DE112020006496T5

DE112020006496T5 - Quarzglastiegel

Info

Publication number: DE112020006496T5
Application number: DE112020006496.4T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Nakao; Hiroshi Kishi; Kouta HASEBE; Hideki Fujiwara
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-11-17
Also published as: JP7375833B2; US12043916B2; CN114981489A; US20230077530A1; KR20220119145A; JPWO2021140729A1; CN114981489B; WO2021140729A1; TW202128577A; TWI754479B

Abstract

[Problem] Es wird ein Quarzglastiegel bereitgestellt, der dazu in der Lage ist, nicht nur einen sehr lange dauernden Einkristall-Hochziehprozess, wie Mehrfachziehen, zu überstehen, sondern auch stabil die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls zu steuern, indem ein Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Tiegel so weit wie möglich eliminiert wird.[Mittel zum Lösen der Probleme] Ein Quarzglastiegel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist versehen mit: einem aus Siliciumdioxidglas hergestellten Tiegelkörper 10; und einer Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13, die auf einer Außenfläche des Tiegelkörpers10 ausgebildet ist. Eine Konzentration eines Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, beträgt 1,0 × 1013Atome/cm2oder mehr und 4,8 × 1015Atome/cm2oder weniger.

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Quarzglastiegel, insbesondere einen Quarzglastiegel, der zum Herstellen eines Silicium-Einkristalls mit dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Ein Quarzglastiegel wird zum Herstellen eines Silicium-Einkristalls mit dem CZ-Verfahren verwendet. Beim CZ-Verfahren wird ein Silicium-Rohmaterial in dem Quarzglastiegel erhitzt und geschmolzen, woraufhin ein Impfkristall in die erhaltene Siliciumschmelze eingetaucht wird, und der Impfkristall wird allmählich hochgezogen, während der Tiegel gedreht wird, um einen Einkristall zu züchten. Um einen qualitativ hochwertigen Silicium-Einkristall für eine Halbleitervorrichtung kostengünstig herzustellen, ist es erforderlich, dass nicht nur die Einkristallausbeute in einem Hochziehverfahren erhöht wird, sondern für einige Typen auch ein sogenanntes Mehrfachziehen durchgeführt wird, bei dem aus einem Tiegel eine Mehrzahl von Silicium-Einkristall-Blöcken hochgezogen wird. Dafür ist ein Tiegel erforderlich, der eine stabile Form aufweist und in der Lage ist, einer Langzeitverwendung standzuhalten.
Der herkömmliche Quarzglastiegel bekommt bei einer Hochtemperatur von 1400 °C oder mehr während des Hochziehprozesses eines Silicium-Einkristalls eine niedrige Viskosität. Dann kann der Tiegel seine Form nicht beibehalten und erfährt eine Verformung wie etwa Durchhängen oder Zusammenfallen nach innen, was Probleme wie Schwankungen bei der Höhe der Schmelzoberfläche einer Siliciumschmelze, Brechen des Tiegels und Kontakt mit Komponenten in einem Ofen hervorrufen kann.
Um derartige Probleme zu lösen, wird ein Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit des Tiegels durch aktives Kristallisieren der Wandfläche des Tiegels vorgeschlagen. Beispielsweise beschreibt Patentliteratur 1 einen Quarztiegel zum Hochziehen eines Einkristalls, der eine Schmelze eines Einkristallrohmaterials darin enthält und der an seiner Außenseite mit einem Graphittiegel bedeckt ist, wobei ein Beschichtungsfilm, der einen Kristobalisationsbeschleuniger enthält, auf der Außenfläche eines vorstehenden Teils des Quarztiegels ausgebildet ist, der sich von dem oberen Ende des Graphittiegels erstreckt, um die wärmebedingte Verformung des vorstehenden Teils zu verringern.
Patentliteratur 2 beschreibt einen Quarzglastiegel, bei dem ein Kristallisationsbeschleuniger enthaltender Beschichtungsfilm auf der Außenfläche davon ausgebildet ist. Dieser Quarzglastiegel weist einen mit einem Boden versehenen zylindrischen Tiegelkörper, der aus Quarzglas ausgebildet ist, und einen Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Beschichtungsfilm auf, der auf der Außenfläche des Tiegelkörpers ausgebildet ist, sodass eine äußere kristalline Schicht, die aus Massen von kuppel- oder säulenförmigen Kristallkörnern besteht, auf dem Oberflächenschichtabschnitt der Außenfläche des Tiegelkörpers durch Erhitzen während eines Hochziehprozesses ausgebildet wird. Bei dem Kristallisationsbeschleuniger, der in dem Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Beschichtungsfilm enthalten ist, handelt es sich um Barium, und die Bariumkonzentration auf der Außenfläche des Tiegelkörpers beträgt weniger als 4,9 × 10¹⁵ bis 3,9 × 10¹⁶ (Atome/cm²).
Patentliteratur 3 beschreibt einen Verbundtiegel, der einen Mullit-Tiegelkörper und eine Kristallisationsbeschleunigerbeschichtung, die durch Aufbringen oder Aufsprühen eines Kristallisationsbeschleunigers auf die Außenfläche des Tiegelkörpers ausgebildet ist, umfasst.
Patentliteratur 4 beschreibt einen Quarztiegel zum Züchten eines Einkristalls, der auf seiner Innenfläche eine Entglasungsbeschleuniger-Haftschicht oder eine Entglasungsbeschleuniger enthaltende Schicht aufweist. In dem Quarztiegel wird die Konzentration des Entglasungsbeschleunigers an der Bodeninnenfläche des Tiegels höher gemacht als jene an dem Seitenwandabschnitt und Eckabschnitt, um die Kristallisationsrate für jede Stelle anzupassen. Dadurch wird eine Versetzung in einem Einkristall infolge des Ablösens von Kristobalit von der Tiegelinnenfläche verhindert.
Patentliteratur 5 beschreibt einen Quarztiegel, bei dem ein Beschichtungsfilm oder eine Mischkristallschicht aus einem Kristallisationsbeschleuniger in der Innenfläche des Quarztiegels in einer Tiefe von 1 mm davon vorhanden ist und die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers 7,8 × 10¹⁴ bis 3,9 × 10¹⁶ (Atome/cm²) beträgt. Wenn ein Silicium-Einkristall unter Verwendung dieses Quarztiegels hochgezogen wird, wird auf der Innenfläche des Tiegels eine Kristallschicht ausgebildet, sodass die Wärmebeständigkeitseigenschaft verbessert wird. Daher wird beispielsweise, selbst wenn ein Silicium-Einkristall bei einem verringerten Druck hochgezogen wird, die Innenfläche nicht rau und bleibt glatt, mit dem Ergebnis, dass das Hochziehen über einen langen Zeitraum möglich ist.
LITERATUR ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-255488
Patentliteratur 2: Druckschrift der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO2018/055974
Patentliteratur 3: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2011-088776
Patentliteratur 4: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-160393
Patentliteratur 5: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. H08-002932

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Der Kristallisationsbeschleuniger, der auf die Außenfläche eines Quarzglastiegels aufgebracht ist, hat die Wirkung, dass die Tiegelaußenfläche aktiv kristallisiert wird, um eine Verformung des Tiegels zu unterdrücken. Wenn die Außenfläche jedoch kristallisiert wird, bevor der Tiegel einem Kohlenstoff-Suszeptor entspricht, wodurch die Festigkeit des Tiegels entsteht, wird ein großer Spalt zwischen dem Tiegel und dem Suszeptor erzeugt. In diesem Fall variiert der Innendurchmesser des Quarztiegels, der eine Siliciumschmelze zurückhält, signifikant, was sich stark auf die Sauerstoffkonzentration eines mit dem CZ-Verfahren gezüchteten Silicium-Einkristalls oder eine Variation des Durchmessers davon auswirkt.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Quarzglastiegel bereitzustellen, der dazu in der Lage ist, nicht nur einen sehr lange dauernden Einkristall-Hochziehprozess zu überstehen, wie Mehrfachziehen, sondern auch stabil die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls zu steuern, indem ein Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Tiegel so weit wie möglich eliminiert wird.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Um das vorstehende Problem zu lösen, umfasst ein Quarzglastiegel gemäß der vorliegenden Erfindung einen aus Siliciumdioxidglas hergestellten Tiegelkörper und eine Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht, die auf einer Außenfläche des Tiegelkörpers ausgebildet ist, wobei eine Konzentration eines Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht enthalten ist, 1,0 × 10¹³ Atome/cm² oder mehr und 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger beträgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Außenfläche des Tiegels weder zu schnell noch zu langsam kristallisiert und entwickelt ihre Festigkeit zu einem angemessenen Zeitpunkt. Dementsprechend kann der Tiegel einen langwierigen Einkristall-Hochziehprozess überstehen und können die Sauerstoffkonzentration und der Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil gesteuert werden, indem ein Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Tiegel so weit wie möglich eliminiert wird.
In der vorliegenden Erfindung beträgt eine Dicke einer Kristallschicht, die auf der Außenfläche ausgebildet wird, wenn der Tiegel 25 Stunden lang bei einer Temperatur von 1550°C oder höher und 1600°C oder niedriger erhitzt wird, vorzugsweise 200 µm oder mehr und 500 µm oder weniger. Dementsprechend kann der Tiegel kristallisiert werden, nachdem er unter einer Hochtemperatur während eines Einkristall-Hochziehprozesses erweicht wurde, um zu dem Kohlenstoff-Suszeptor zu passen, was es ermöglicht, den Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor so weit wie möglich zu eliminieren, um dadurch die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil zu steuern.
In der vorliegenden Erfindung weist der Tiegelkörper vorzugsweise einen zylindrischen Seitenwandabschnitt, einen Bodenabschnitt und einen Eckabschnitt zwischen dem Seitenwandabschnitt und dem Bodenabschnitt auf, und die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht ist vorzugsweise zumindest auf dem Seitenwandabschnitt ausgebildet. In diesem Fall ist die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht besonders bevorzugt sowohl auf dem Seitenwandabschnitt als auch auf dem Eckabschnitt ausgebildet. Durch das Ausbilden der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht zumindest auf dem Seitenwandabschnitt des Tiegels kann eine Verformung des Tiegels unter Hochtemperatur während des CZ-Hochziehprozesses unterdrückt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers auf dem Seitenwandabschnitt vorzugsweise allmählich von einem unteren Ende des Seitenwandabschnitts zu einem oberen Ende davon verringert. Der Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Seitenwandabschnitt des Tiegels ist tendenziell am oberen Ende des Seitenwandabschnitts größer. Durch das Verringern der Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers von dem unteren Ende des Seitenwandabschnitts zu dem oberen Ende davon ist es jedoch möglich, die Zeit bis zur Entstehung der Festigkeit am oberen Ende des Seitenwandabschnitts zu verzögern, wodurch eine Erhöhung der Haftung in Bezug auf den Kohlenstoff-Suszeptor ermöglicht wird.
EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Quarzglastiegel bereitgestellt werden, der in der Lage ist, nicht nur einen sehr lange dauernden Einkristall-Hochziehprozess zu überstehen, wie Mehrfachziehen, sondern auch die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil zu steuern, indem ein Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Tiegel so weit wie möglich eliminiert wird.
Figurenliste

[1] 1 ist eine Ansicht, die eine Ausgestaltung eines Quarzglastiegels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei (a) eine schematische perspektivische Ansicht ist und (b) eine schematische Querschnittsseitenansicht ist.
[2] 2 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den Quarzglastiegel und insbesondere eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für den Tiegelkörper mit einem Rotationsformverfahren zeigt.
[3] 3 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den Quarzglastiegel und insbesondere eine Ansicht, die ein Beispiel für die Ausbildung einer Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht zeigt.
[4] 4 ist eine Ansicht, die einen Einkristall-Hochziehprozess unter Verwendung eines Quarzglastiegels gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert und bei der es sich um eine schematische Querschnittsansicht handelt, die die Ausgestaltung einer Einkristall-Hochzieheinheit veranschaulicht.
[5] 5 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht, die die Beziehung zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Quarzglastiegel veranschaulicht.

ART UND WEISE DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist eine Ansicht, die eine Ausgestaltung eines Quarzglastiegels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei (a) eine schematische perspektivische Ansicht ist und (b) eine schematische Querschnittsseitenansicht ist.
Wie in 1(a) und (b) dargestellt, ist ein Quarzglastiegel 1 ein Siliciumdioxidglasbehälter zur Aufnahme einer Siliciumschmelze und weist einen zylindrischen Seitenwandabschnitt 10a, einen Bodenabschnitt 10b und einen Eckabschnitt 10c auf, der zwischen dem Seitenwandabschnitt 10a und dem Bodenabschnitt 10b ausgebildet ist. Der Bodenabschnitt 10b ist vorzugsweise ein sogenannter Rundboden, der leicht gekrümmt ist, kann aber auch ein sogenannter Flachboden sein. Der Eckabschnitt 10c befindet sich zwischen dem Seitenwandabschnitt 10a und dem Bodenabschnitt 10b und weist eine größere Krümmung auf als der Bodenabschnitt 10b. Die Grenze zwischen dem Seitenwandabschnitt 10a und dem Eckabschnitt 10c ist eine Position, an der sich der Seitenwandabschnitt 10a zu krümmen beginnt. Die Grenze zwischen dem Eckabschnitt 10c und dem Bodenabschnitt 10b ist eine Position, an der sich die große Krümmung des Eckabschnitts 10c zur kleinen Krümmung des Bodenabschnitts 10b zu ändern beginnt.
Die Öffnung (Durchmesser) des Quarzglastiegels 1 beträgt vorzugsweise 18 Zoll (etwa 450 mm) oder mehr und insbesondere 32 Zoll (etwa 800 mm) oder mehr, wenngleich sie je nach dem Durchmesser eines Silicium-Einkristallblocks, der unter Verwendung des Quarzglastiegels 1 hochgezogen werden soll, variiert.
Obwohl die Dicke des Quarzglastiegels 1 von einem Abschnitt zum anderen leicht variiert, beträgt die Dicke des Seitenwandabschnitts 10a eines Tiegels mit einem Durchmesser von 18 Zoll oder mehr vorzugsweise 6 mm oder mehr und beträgt die Dicke des Seitenwandabschnitts 10a eines groß bemessenen Tiegels mit einem Durchmesser von 32 Zoll oder mehr vorzugsweise 10 mm oder mehr. Dies ermöglicht, dass eine große Menge an Siliciumschmelze stabil unter Hochtemperaturen gehalten wird.
Wie in 1(b) dargestellt, weist der Quarzglastiegel 1 einen aus Siliciumdioxidglas hergestellten Tiegelkörper 10 und eine Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13, die auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgebildet ist, auf. Der Tiegelkörper 10 weist eine transparente Schicht 11 (blasenfreie Schicht), die aus Siliciumdioxidglas, das keine Blasen enthält, hergestellt ist, und eine Blasenschicht 12 (trübe Schicht), die aus Siliciumdioxidglas, das eine große Anzahl an Mikroblasen enthält, hergestellt ist und außerhalb der transparenten Schicht 11 bereitgestellt ist, auf. Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 ist außerhalb der Blasenschicht 12 ausgebildet.
Die transparente Schicht 11 ist eine Schicht, die eine Innenfläche 10i des Tiegelkörpers 10 bildet, die in Kontakt mit einer Siliciumschmelze steht, und ist zum Verhindern einer Verringerung der Einkristallausbeute aufgrund der Blasen in dem Siliciumdioxidglas vorgesehen. Die Innenfläche 10i des Tiegelkörpers 10 reagiert mit der Siliciumschmelze, um eine Abtragung zu erfahren, sodass die Blasen in der Nähe der Tiegelinnenfläche nicht in dem Siliciumdioxidglas eingeschlossen sein können. Dementsprechend können sich, wenn die Blasen aufgrund von Wärmeausdehnung platzen, Tiegelteile (Siliciumdioxidteile) ablösen. Wenn die in die Siliciumschmelze freigesetzten Tiegelteile durch Schmelzkonvektion zur Wachstumsgrenzfläche eines Einkristalls transportiert werden, um in dem Einkristall eingeschlossen zu werden, können Versetzungen in dem Einkristall erzeugt werden. Wenn die in die Siliciumschmelze freigesetzten Blasen aufwärts fließen, um die Fest-Flüssig-Grenzfläche zu erreichen, und in dem Einkristall eingeschlossen werden, können alternativ Löcher in dem Silicium-Einkristall erzeugt werden.
Die Formulierung „enthält keine Blasen“ ist in Bezug auf die transparente Schicht 11 so zu verstehen, dass sie einen Blasengehalt und eine Blasengröße in einem solchen Ausmaß aufweist, dass sich die Einkristallisationsausbeute nicht verringert. Ein solcher Blasengehalt beträgt beispielsweise 0,1 Vol.-% oder weniger, und der durchschnittliche Durchmesser der Blasen beträgt vorzugsweise 100 µm oder weniger.
Die Dicke der transparenten Schicht 11 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 10 mm und ist auf einen angemessenen Wert in diesem Bereich für jeden Abschnitt des Tiegels eingestellt, um zu verhindern, dass sie aufgrund von Abtragung während eines Einkristall-Hochziehprozesses in einer solchen Weise vollständig eliminiert wird, dass die Blasenschicht 12 freigelegt wird. Die transparente Schicht 11 ist vorzugsweise vom Seitenwandabschnitt 10a bis zum Bodenabschnitt 10b über die gesamte Oberfläche des Tiegels ausgebildet; sie kann am oberen Ende des Tiegels, das nicht in Kontakt mit der Siliciumschmelze steht, jedoch weggelassen sein.
Der Blasengehalt der transparenten Schicht 11 und der Blasendurchmesser können unter Verwendung eines optischen Detektionsmittels zerstörungsfrei gemessen werden. Das optische Detektionsmittel ist mit einer Lichtempfangsvorrichtung versehen, die ein übertragenes Licht oder reflektiertes Licht des Lichts, das den Tiegel bestrahlt, empfängt. Bei der Lichtempfangsvorrichtung kann es sich um eine Digitalkamera mit einer optischen Linse und einem Abbildungselement handeln. Als Bestrahlungslicht können Röntgenstrahlen, Laserlicht und dergleichen sowie sichtbares Licht, ultraviolettes Licht und Infrarotlicht verwendet werden. Mit dem optischen Detektionsmittel erhaltene Messergebnisse werden in eine Bildverarbeitungsvorrichtung eingegeben, in der der Blasendurchmesser und der Blasengehalt pro Volumeneinheit berechnet werden.
Bei der Blasenschicht 12 handelt es sich um eine Schicht, die eine Außenfläche 10o des Tiegelkörpers 10 ausbildet und vorgesehen ist, um die Wärmerückhalteeigenschaft der Siliciumschmelze in dem Tiegel zu erhöhen und die Siliciumschmelze in dem Tiegel möglichst gleichmäßig zu erhitzen, indem Strahlungswärme von einem Heizelement verteilt wird, das dazu vorgesehen ist, den Tiegel in einer Einkristall-Hochziehvorrichtung zu umgeben. Daher ist die Blasenschicht 12 über die gesamte Oberfläche des Tiegels von dem Seitenwandabschnitt 10a bis zu dem Bodenabschnitt 10b des Tiegels ausgebildet. Die Dicke der Blasenschicht 12 ist ungefähr gleich einem Wert, der durch Subtrahieren der Dicke der transparenten Schicht 11 von der Dicke des Tiegelkörpers 10 erhalten wird, und variiert von einem Abschnitt zu einem anderen in dem Tiegel.
Der Blasengehalt der Blasenschicht 12 ist höher als jener der transparenten Schicht 11 und beträgt vorzugsweise mehr als 0,1 Vol.-% und 5 Vol.-% oder weniger. Wenn der Blasengehalt der Blasenschicht 12 0,1 Vol.-% oder weniger beträgt, kann die Blasenschicht 12 nicht die erforderliche Wärmerückhaltefunktion aufweisen. Außerdem wird, wenn der Blasengehalt der Blasenschicht 12 5 Vol.-% übersteigt, der Tiegel aufgrund der wärmebedingten Ausdehnung der Blasen verformt, sodass die Einkristallausbeute verringert sein kann und die Wärmeleitfähigkeit unzureichend werden kann. Aus dem Blickwinkel des Gleichgewichts zwischen Wärmerückhalteeigenschaft und Wärmeleitfähigkeit beträgt der Blasengehalt der Blasenschicht 12 besonders bevorzugt 1 bis 4 Vol.-%. Eine große Anzahl von Blasen, die in der Blasenschicht 12 enthalten sind, kann durch in Augenscheinnahme bestätigt werden. Es ist zu beachten, dass der vorstehend genannte Blasengehalt ein Wert ist, der für einen Tiegel vor der Verwendung unter Raumtemperatur gemessen wird. Der Blasengehalt der Blasenschicht 12 kann beispielsweise durch Messung des spezifischen Gewichts (Archimedes-Verfahren) eines aus dem Tiegel ausgeschnittenen trüben Siliciumdioxidglasstücks berechnet werden.
Um eine Verunreinigung der Siliciumschmelze zu verhindern, ist es wünschenswert, dass das die transparente Schicht 11 bildende Siliciumdioxidglas eine hohe Reinheit aufweist. Dementsprechend weist der Quarzglastiegel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise eine Zweischichtstruktur, eine synthetische Siliciumdioxidglasschicht (synthetische Schicht), die aus synthetischem Siliciumdioxidpulver ausgebildet ist, und eine natürliche Siliciumdioxidglasschicht (natürliche Schicht), die aus natürlichem Siliciumdioxidpulver ausgebildet ist, auf. Das synthetische Siliciumdioxidpulver kann durch Gasphasenoxidation (trockenes Syntheseverfahren) von Siliciumtetrachlorid (SiCl₄) oder Hydrolyse von Siliciumalkoxid (Sol-Gel-Verfahren) hergestellt werden. Außerdem ist das natürliche Siliciumdioxidpulver ein Siliciumdioxidpulver, das durch Pulverisieren eines natürlichen mineralhaltigen α-Quarzes als eine Hauptkomponente hergestellt wird.
Wenngleich Einzelheiten später beschrieben werden, kann die Zweischichtstruktur aus der synthetischen Siliciumdioxidglasschicht und der natürlichen Siliciumdioxidglasschicht hergestellt werden, indem natürliches Siliciumdioxidpulver entlang der Innenfläche einer Form zur Herstellung eines Tiegels abgeschieden wird, das synthetische Siliciumdioxidpulver auf dem natürlichen Siliciumdioxidpulver abgeschieden wird und das so abgeschiedene Siliciumdioxidpulver unter Verwendung Joulescher Wärme einer Lichtbogenentladung geschmolzen wird. In einem Anfangsstadium des Lichtbogenschmelzschritts erfolgt eine starke Vakuumbeaufschlagung an der Außenseite der Abscheideschichten aus den Siliciumdioxidpulvern, um Blasen zu entfernen, wodurch die transparente Schicht 11 ausgebildet wird. Danach wird die Vakuumbeaufschlagung gestoppt oder abgeschwächt, wodurch die Blasenschicht 12 außerhalb der transparenten Schicht 11 ausgebildet wird. Obwohl die Grenze zwischen der synthetischen Siliciumdioxidglasschicht und der natürlichen Siliciumdioxidglasschicht nicht zwingend mit der Grenze zwischen der transparenten Schicht 11 und der Blasenschicht 12 übereinstimmt, weist die synthetische Siliciumdioxidglasschicht aus diesem Grund jedoch wie die transparente Schicht 11 vorzugsweise eine solche Dicke auf, dass sie nicht vollständig aufgrund von Abtragung der Innenfläche des Tiegels während des Einkristallhochziehprozesses eliminiert wird.
Der Quarzglastiegel gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Einzelschichtstruktur aus der natürlichen Siliciumdioxidglasschicht oder der synthetischen Siliciumdioxidglasschicht aufweisen, die von der vorstehend erörterten Zweischichtstruktur aus der synthetischen Siliciumdioxidglasschicht und der natürlichen Siliciumdioxidglasschicht verschieden ist. Das Herstellungsverfahren für einen solchen Quarzglastiegel mit der Einzelschichtstruktur ist im Grunde das gleiche wie jenes für einen Quarzglastiegel mit der Zweischichtstruktur, mit Ausnahme der zuzuführenden Art von Siliciumdioxidpulver.
Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 wird auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgebildet. Der Kristallisationsbeschleuniger, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, beschleunigt die Kristallisation der Tiegelaußenfläche bei einer Hochtemperatur während eines Einkristallhochziehprozesses, sodass die Festigkeit des Tiegels erhöht werden kann. Es ist dabei zu beachten, dass es für die Bereitstellung der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 auf der Außenflächenseite, nicht auf der Innenseite, des Quarzglastiegels 1 folgenden Grund gibt. Erstens besteht, wenn die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 auf der Tiegelinnenflächenseite ausgebildet wird, ein hohes Risiko für das Auftreten von Löchern in dem Silicium-Einkristall oder eine Ablösung zwischen der Tiegelaußen- und -innenschicht; während bei Ausbildung der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 auf der Außenflächenseite ein solches Risiko verringert werden kann. Ferner besteht, wenn die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 auf der Innenfläche ausgebildet wird, ein Risiko für eine Verunreinigung eines Einkristalls aufgrund von Fremdkörperverunreinigung der Tiegelinnenfläche, wobei die Fremdkörperverunreinigung der Tiegelaußenfläche bis zu einem gewissen Maße zugelassen wird, sodass ein niedriges Risiko für eine Verunreinigung eines Einkristalls besteht, wenn die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 auf der Tiegelaußenfläche ausgebildet ist.
Obwohl die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 in der vorliegenden Ausführungsform über die gesamte Oberfläche des Tiegels von dem Seitenwandabschnitt 10a bis zu dem Bodenabschnitt 10b ausgebildet ist, kann sie auch zumindest auf dem Seitenwandabschnitt 10a ausgebildet sein. Dies liegt daran, dass der Seitenwandabschnitt 10a anfälliger für Verformung ist als der Eckabschnitt 10c und der Bodenabschnitt 10b, sodass die Kristallisation der Außenfläche auf dem Seitenwandabschnitt 10a eine hohe Wirkung bei der Unterdrückung der Verformung des Tiegels aufweist. Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 ist vorzugsweise nicht nur auf dem Seitenwandabschnitt 10a, sondern auch auf dem Eckabschnitt 10c ausgebildet. Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 kann auf dem Bodenabschnitt 10b des Tiegels ausgebildet sein oder auch nicht. Dies liegt daran, dass der Tiegelbodenabschnitt 10b das Gewicht einer großen Menge an Siliciumschmelze aufnimmt und somit leicht zu einem Kohlenstoff-Suszeptor passt, wodurch die Erzeugung eines Spalts zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor unwahrscheinlicher wird.
Ein oberes Randende, bei dem es sich um einen Teil der Außenfläche des Tiegelseitenwandabschnitts 10a im Bereich von 1 bis 3 cm von dem oberen Randende nach unten handelt, kann als Bereich der Nichtausbildung einer Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht festgelegt werden. Dadurch kann die Kristallisation der Oberfläche des oberen Randendes unterdrückt werden, um das Auftreten einer Versetzung in einem Einkristall aufgrund des Mischens von Kristallteilen, die sich von der oberen Randoberfläche abgelöst haben, in die Schmelze zu verhindern.
Der Kristallisationsbeschleuniger, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, ist ein Element der Gruppe 2, und Beispiele dafür umfassen Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) und Radium (Ra) und dergleichen. Von diesen ist Barium besonders bevorzugt, da es einen kleineren Segregationskoeffizienten als Silicium aufweist, bei Normaltemperatur stabil und leicht zu handhaben ist. Ferner schwächt sich bei Barium die Kristallisationsrate im Zuge der Kristallisation nicht ab und es bewirkt im Vergleich zu anderen Elementen ein starkes Orientierungswachstum. Der Kristallisationsbeschleuniger ist nicht auf das Element der Gruppe 2 beschränkt und kann auch Lithium (Li), Zink (Zn), Blei (Pb), Aluminium (Al) oder dergleichen sein.
Die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, beträgt vorzugsweise 1,0 × 10¹³ Atome/cm² oder mehr und 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger und besonders bevorzugt 0,6 × 10¹⁵ Atome/cm² oder mehr und 2,0 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger. Wenn die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers auf einen sehr hohen Wert wie zum Beispiel 1,0 × 10¹⁷ Atome/cm² oder mehr eingestellt ist, wie bei dem herkömmlichen Weg, so ist die Wirkung des Kristallisationsbeschleunigers zu stark, um die Festigkeit des Tiegels in einem kurzen Zeitraum nach dem Erhitzen zu entwickeln, was es erschwert, dass der Tiegel zu dem Kohlenstoff-Suszeptor passt, mit dem Ergebnis, dass das Auftreten eines Spalts zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor wahrscheinlich ist. Andererseits ist, wenn die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers niedriger als 1,0 × 10¹³ Atome/cm² ist, die Wirkung des Kristallisationsbeschleunigers übermäßig schwach, sodass eine zufriedenstellende Festigkeit des Tiegels aufgrund von Kristallisation nicht erreicht werden kann, was eine Verformung des Tiegels hervorrufen kann. Wenn die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers jedoch auf 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger eingestellt ist, wie in der vorliegenden Erfindung, so kann die Festigkeit zu einem angemessenen Zeitpunkt nach dem Ablauf eines vorbestimmten Zeitraums ab dem Abschluss des Erhitzens entstehen, was es ermöglicht, dass der Tiegel zu dem Kohlenstoff-Suszeptor passt.
Die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, verringert sich vorzugsweise allmählich (oder schrittweise) nach oben entlang des Tiegels. Dementsprechend kann die Zeit für die Entstehung von Festigkeit zum oberen Ende des Tiegels verlängert werden. Der Kohlenstoff-Suszeptor nutzt sich bei wiederholter Verwendung allmählich an seinem oberen Ende ab, was dazu führt, dass er so geformt wird, dass er sich nach außen öffnet, und somit ist es wahrscheinlicher, dass ein Spalt von dem Kohlenstoff-Suszeptor am oberen Ende des Tiegels erzeugt wird. Durch das Hinauszögern der Kristallisation des oberen Endes des Tiegels, anstelle des Kristallisierens des gesamten Tiegels vom oberen und unteren Ende gleichzeitig, ist es möglich, die Zeit, bis das obere Ende des Tiegels dem Kohlenstoff-Suszeptor entspricht, zu verlängern.
Wenn der Quarzglastiegel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 25 Stunden lang bei einer Temperatur von 1550 °C oder höher und 1600 °C oder weniger erhitzt wird, kann die Dicke einer auf der Tiegelaußenfläche ausgebildeten Kristallschicht vorzugsweise 200 µm oder mehr und 500 µm oder weniger betragen. Wenn die Dicke der Kristallschicht nach dem Ablauf von 25 Stunden ab Beginn eines Einkristall-Hochziehprozesses weniger als 200 µm beträgt, wird die Wahrscheinlichkeit, dass der Tiegel verformt wird, aufgrund des Fehlens von Festigkeit hoch. Darüber hinaus wird, wenn die Dicke der Kristallschicht mehr als 500 µm beträgt, die Haftung zwischen dem Tiegel und dem Serbon-Suszeptor schlechter. Infolgedessen schwankt die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Quarzglastiegel während des Hochziehprozesses, was sich negativ auf die Steuerung der Sauerstoffkonzentration oder des Kristalldurchmessers eines Silicium-Einkristalls auswirkt. Ferner kann, wenn die Dicke der Kristallschicht übermäßig groß ist, die Kristallschicht schäumen und sich ablösen, was sich negativ auf den Einkristall-Hochziehprozess auswirkt. Wenn die Dicke der Kristallschicht in den vorstehenden Bereich fällt, kann jedoch die Festigkeit entstehen, nachdem der Tiegel zu dem Kohlenstoff-Suszeptor passt, was es ermöglicht, die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil zu steuern.
Die Kristallisationsrate des Quarzglastiegels 1 variiert in Abhängigkeit von der Atmosphäre oder dem Druck in einem Ofen. Typischerweise ist für Kristallhochziehbedingungen eine Atmosphäre im Ofen eine Inertgasatmosphäre wie Argongas und beträgt ein Druck im Ofen 10 bis 100 Torr. Wenn die Dicke der auf der Tiegelaußenfläche ausgebildeten Kristallschicht jedoch bei Erhitzung bei einer Temperatur von mindestens 1550 °C und höchstens 1600 °C für 25 Stunden 200 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt, können die gleichen Wirkungen selbst dann erzielt werden, wenn die Kristallhochziehbedingungen außerhalb des vorstehenden Bereichs liegen.
Der Quarzglastiegel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein sogenannter nach außen öffnender Tiegel sein, bei dem sich das obere Ende des Seitenwandabschnitts 10a nach außen öffnet. Der nach außen öffnende Tiegel weist eine Form auf, bei der der Innendurchmesser des oberen Endes des Seitenwandabschnitts 10a größer ist als der Innendurchmesser des unteren Endes davon, oder eine Form, bei der der Außendurchmesser des oberen Endes des Seitenwandabschnitts 10a des nach außen öffnenden Tiegels größer ist als der Außendurchmesser des unteren Endes davon. Wie vorstehend beschrieben, nutzt sich der Kohlenstoff-Suszeptor durch wiederholte Verwendung allmählich ab, weshalb es wahrscheinlich ist, dass die Innenfläche des Kohlenstoff-Suszeptors eine nach außen öffnende Form aufweist, sodass, wenn ein gewöhnlicher Tiegel verwendet wird, die Erzeugung eines Spalts von dem Kohlenstoff-Suszeptor an dem oberen Ende des Tiegels wahrscheinlicher ist. Wenn der Quarzglastiegel 1 die nach außen öffnende Form aufweist, kann der Spalt zwischen dem oberen Ende des Tiegels und dem Kohlenstoff-Suszeptor jedoch im Voraus verringert werden. Darüber hinaus kann durch Verzögern der Kristallisation des Seitenwandabschnitts 10a die Haftung zwischen dem oberen Ende des Tiegels und dem Kohlenstoff-Suszeptor erhöht werden und dementsprechend können durch weitestmögliches Eliminieren des Spalts zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor die Sauerstoffkonzentration und der Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil gesteuert werden.
2 und 3 sind schematische Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den Quarzglastiegel 1.
Wie in 2 dargestellt, wird der Tiegelkörper 10 des Quarzglastiegels 1 mit dem sogenannten Rotationsformverfahren hergestellt. Beim Rotationsformverfahren wird eine Form 14 mit einem Hohlraum, der dem Außendurchmesser des Tiegels entspricht, hergestellt, und werden natürliches Siliciumdioxidpulver 13a und synthetisches Siliciumdioxidpulver 13b nacheinander entlang einer Innenfläche 14i einer rotierenden Form 14 abgeschieden, um eine abgeschiedene Schicht 16 aus Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver auszubilden. Dieses Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver wird durch die Zentrifugalkraft in einer bestimmten Position der Innenfläche 14i der Form 14 zurückgehalten, wodurch die Form des Tiegels beibehalten wird.
Anschließend werden Lichtbogenelektroden 15 in der Form platziert und die abgeschiedene Schicht 16 aus dem Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver wird von der Innenseite der Form 14 aus lichtbogengeschmolzen. Spezifische Bedingungen wie Aufheizzeit und Aufheiztemperatur werden unter Berücksichtigung von Bedingungen wie Eigenschaften des Rohmaterial-Siliciumdioxidpulvers und Größe des Tiegels auf geeignete Weise bestimmt.
Während des Lichtbogenschmelzens wird die abgeschiedene Schicht 16 aus dem Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver durch viele Entlüftungslöcher 14a, die in der Innenfläche 14i der Form 14 ausgebildet sind, mit Vakuum beaufschlagt, um die Menge an Blasen in dem geschmolzenen Siliciumdioxidglas zu steuern. Insbesondere wird die auf das Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver angewandte Dekompression zur Anfangszeit des Lichtbogenschmelzens erhöht, um die transparente Schicht 11 auszubilden, und anschließend wird die Dekompression nach der Ausbildung der transparenten Schicht 11 verringert, um die Blasenschicht 12 auszubilden. Die Dekompressionskraft zum Ausbilden der transparenten Schicht 11 beträgt vorzugsweise -70 bis -95 kPa und die Dekompressionskraft zum Ausbilden der Blasenschicht 12 beträgt vorzugsweise Atmosphärendruck bis - 35 kPa.
Die Lichtbogenwärme wird allmählich von der Innenseite der abgeschiedenen Schicht 16 aus dem Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver übertragen, um das Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver zu schmelzen, sodass durch Änderung der Dekompressionsbedingungen zu dem Zeitpunkt, zu dem das Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver zu schmelzen beginnt, die transparente Schicht 11 und die Blasenschicht 12 separat ausgebildet werden können. Das heißt, wenn ein Dekompressionsschmelzen durchgeführt wird, um die Dekompression zu dem Zeitpunkt zu verstärken, zu dem das Siliciumdioxidpulver schmilzt, wird das Lichtbogenatmosphärengas nicht in dem Glas eingeschlossen, und es wird Siliciumdioxidglas ausgebildet, das keine Blasen enthält. Außerdem wird, wenn normales Schmelzen (Schmelzen bei atmosphärischem Druck) durchgeführt wird, um die Dekompression zu dem Zeitpunkt, zu dem das Siliciumdioxidpulver geschmolzen wird, zu verringern, das Lichtbogenatmosphärengas in dem Glas eingeschlossen, wodurch Siliciumdioxidglas ausgebildet wird, das eine große Anzahl von Blasen enthält.
Danach wird das Lichtbogenschmelzen beendet und der Tiegel abgekühlt, wodurch der aus Siliciumdioxidglas hergestellte Tiegelkörper 10 fertiggestellt wird, wobei die transparente Schicht 11 und die Blasenschicht 12 nacheinander von der Innenseite zur Außenseite der Tiegelwand bereitgestellt sind.
Anschließend, wie in 3 dargestellt, wird die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgebildet. Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 kann beispielsweise durch Aufsprühen von Kristallisationsbeschleuniger enthaltender Beschichtungsflüssigkeit 19 auf die Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgebildet werden. Alternativ kann die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Beschichtungsflüssigkeit unter Verwendung eines Pinsels auf die Außenfläche des Tiegelkörpers 10 aufgebracht werden. Wenn der Kristallisationsbeschleuniger Barium ist, kann eine Lösung, die Bariumhydroxid, Bariumsulfat oder Bariumcarbonat enthält, verwendet werden. Ferner kann, wenn der Kristallisationsbeschleuniger Aluminium ist, der Tiegel unter Verwendung von Rohmaterial-Quarzpulver ausgebildet werden, dem der Kristallisationsbeschleuniger zugesetzt ist.
Beim Ausbilden der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 wird der Tiegelkörper 10 auf einer Rotationsplattform 17 platziert, wobei die Öffnung des Tiegelkörpers 10 nach unten gewandt ist. Anschließend wird, während der Tiegelkörper 10 gedreht wird, die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Beschichtungsflüssigkeit 19 auf die Außenfläche des Tiegelkörpers 10 unter Verwendung einer Sprühvorrichtung 18 aufgebracht. Um die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 enthalten ist, zu ändern wird die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Beschichtungsflüssigkeit eingestellt.
Um die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 mit einem Konzentrationsgradienten zu versehen, kann die Anwendungszeit der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Beschichtungsflüssigkeit 19 (die Anzahl der Male des Wiederauftrags des Kristallisationsbeschleunigers) verändert werden. Beispielsweise wird die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Beschichtungsflüssigkeit 19 auf den unteren Abschnitt des Seitenwandabschnitts 10a in einer Menge, die einer Drehung entspricht, auf den mittleren Abschnitt des Seitenwandabschnitts 10a in einer Menge, die zwei Drehungen entspricht, auf den unteren Abschnitt des Seitenwandabschnitts 10a in einer Menge, die drei Drehungen entspricht, und auf den Eckabschnitt 10c und den Bodenabschnitt 10b in einer Menge, die vier Drehungen entspricht, aufgetragen, wodurch die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht 13 zum oberen Endes des Tiegels verringert werden kann.
4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Einkristall-Hochziehprozesses unter Verwendung des Quarzglastiegels 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Ausgestaltung einer Einkristall-Hochzieheinheit veranschaulicht.
Wie in 4 dargestellt, wird eine Einkristall-Hochzieheinheit 20 für einen Silicium-Einkristall-Hochziehprozess gemäß dem CZ-Verfahren verwendet. Die Einkristall-Hochzieheinheit 20 umfasst eine Kammer 21 vom Wasserkühltyp, den Quarzglastiegel 1, der eine Siliciumschmelze in der Kammer 21 zurückhält, einen Kohlenstoff-Suszeptor 22, der den Quarzglastiegel 1 hält, eine Rotationswelle 23, die den Kohlenstoff-Suszeptor 22 derart trägt, dass sie in der Lage ist, den Kohlenstoff-Suszeptor 22 zu drehen und nach oben/unten zu bewegen, einen Wellenantriebsmechanismus 24 zum Drehen und Bewegen der Rotationswelle 23 nach oben/unten, ein Heizelement 25, das um den Kohlenstoff-Suszeptor 22 angeordnet ist, einen Kristallhochziehdraht 28, der über dem Quarzglastiegel 1 des Heizelements 25 koaxial mit der Rotationswelle 23 angeordnet ist, und einen Drahtaufwickelmechanismus 29, der am oberen Abschnitt der Kammer 21 angeordnet ist.
Die Kammer 21 wird durch eine Hauptkammer 21a und eine lang gestreckte zylindrische Ziehkammer 21b, die mit der oberen Öffnung der Hauptkammer 21a verbunden ist, gebildet. Der Quarzglastiegel 1, der Kohlenstoff-Suszeptor 22 und das Heizelement 25 sind in der Hauptkammer 21a vorgesehen. Ein Gaseinlasskanal 21c zum Einbringen von Inertgas (Spülgas), wie etwa Argongas, oder Dotiergas in die Hauptkammer 21a ist im oberen Abschnitt der Ziehkammer 21b vorgesehen und ein Gasauslasskanal 21d zum Auslassen des atmosphärischen Gases in der Hauptkammer 21a ist am unteren Abschnitt der Hauptkammer 21a vorgesehen.
Der Kohlenstoff-Suszeptor 22 wird zum Aufrechterhalten der Form des Quarzglastiegels 1 verwendet, der unter Hochtemperatur erweicht wird, und umgibt und hält den Quarzglastiegel 1. Der Quarzglastiegel 1 und der Kohlenstoff-Suszeptor 22 bilden einen Doppelstrukturtiegel, der die Siliciumschmelze in der Kammer 21 aufnimmt.
Der Kohlenstoff-Suszeptor 22 ist am oberen Ende der Rotationswelle 23 befestigt und das untere Ende der Rotationswelle 23 verläuft durch den Boden der Kammer 21 und ist mit dem Wellenantriebsmechanismus 24 verbunden, der außerhalb der Kammer 21 vorgesehen ist.
Das Heizelement 25 wird zum Erzeugen der Siliciumschmelze 4 durch Schmelzen eines polykristallinen Silicium-Rohmaterials, das in den Quarzglastiegel 1 gefüllt ist, sowie zum Aufrechterhalten des Schmelzzustands der Siliciumschmelze 4 verwendet. Das Heizelement 25 ist ein Kohlenstoff-Heizelement eines Widerstandsheiztyps und ist so vorgesehen, dass es den Quarzglastiegel 1 in dem Kohlenstoff-Suszeptor 22 umgibt.
Wenngleich die Menge der Siliciumschmelze in dem Quarzglastiegel 1 abnimmt, während der Silicium-Einkristall 3 wächst, wird der Quarzglastiegel 1 so hochgezogen, dass die Höhe der Schmelzoberfläche bei einem festen Niveau aufrechterhalten wird.
Der Drahtaufwickelmechanismus 29 ist an der Oberseite der Ziehkammer 21b vorgesehen und der Draht 28 erstreckt sich von dem Drahtaufwickelmechanismus 29 durch die Ziehkammer 21b hindurch nach unten und das Spitzenende des Drahts 28 reicht in den Innenraum der Hauptkammer 21a. Diese Figur stellt einen Zustand dar, in dem der Silicium-Einkristall 3 während des Wachsens an dem Draht 28 aufgehängt ist. Während des Hochziehens des Silicium-Einkristalls 3 wird der Silicium-Einkristall 3 durch allmähliches Hochziehen des Drahts 28 gezüchtet, während sowohl der Quarzglastiegel 1 als auch der Silicium-Einkristall 3 gedreht werden.
Obwohl der Quarzglastiegel 1 während des Einkristall-Hochziehprozesses erweicht wird, setzt sich die Kristallisation der Außenfläche aufgrund der Wirkung des auf die Tiegelaußenfläche aufgebrachten Kristallisationsbeschleunigers fort, sodass die Festigkeit des Tiegels beibehalten werden kann, um dessen Verformung zu unterdrücken. Daher ist es möglich zu verhindern, dass der Tiegel verformt wird und mit den Elementen in dem Ofen in Kontakt kommt, und Schwankungen der Position der Flüssigkeitsoberfläche der Siliciumschmelze 4 aufgrund einer Änderung des Innenvolumens des Tiegels zu verhindern. Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers derart angepasst, dass die Kristallisation der Tiegelaußenfläche relativ langsam vorangetrieben wird. Dementsprechend kann die Tiegelaußenfläche kristallisiert werden, nachdem der Tiegel erweicht wurde, um zu dem Kohlenstoff-Suszeptor 22 zu passen, wodurch ermöglicht wird, den Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor so weit wie möglich zu eliminieren, um dadurch den Tiegel stabil zu tragen.
5 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht, die die Beziehung zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor 22 und dem Quarzglastiegel 1 veranschaulicht.
Wie in 5 dargestellt, wird der Kohlenstoff-Suszeptor 22 wiederholt in dem CZ-Hochziehprozess verwendet und nutzt sich dementsprechend allmählich ab, wodurch es wahrscheinlich wird, dass eine Innenfläche 22i des Kohlenstoff-Suszeptors 22 eine nach außen öffnende Form aufweist, sodass die Erzeugung eines Spalts 22G zwischen der Außenfläche des Quarzglastiegels 1 und der Innenfläche 22i des Kohlenstoff-Suszeptors 22 wahrscheinlicher ist. Wenn die Tiegelaußenfläche kristallisiert wird, um die Festigkeit des Tiegels in einem Zustand zu entwickeln, in dem der Spalt 22G vorhanden ist, schwankt die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor 22 und dem Quarzglastiegel 1 während des Hochziehprozesses oder von einem Hochziehprozess zum anderen, wodurch die Steuerung der Sauerstoffkonzentration oder des Kristalldurchmessers eines Silicium-Einkristalls negativ beeinflusst wird. Insbesondere wenn der Tiegel eine Außenflächentoleranz aufweist, die -10 mm übersteigt (d. h. weniger als -10 mm), verschlechtert sich die Haftung zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor, was die Qualität wie die Sauerstoffkonzentration eines Silicium-Einkristalls in Verbindung mit einer Veränderung der Infrarotänderungsrate signifikant beeinflusst.
Wenn die Tiegelaußenfläche jedoch nicht zu schnell oder zu langsam kristallisiert wird und ihre Festigkeit zu einem angemessenen Zeitpunkt entwickelt, kann der Tiegel nicht nur einen langwierigen Einkristall-Hochziehprozess überstehen, sondern auch zu dem Kohlenstoff-Suszeptor passen, um dadurch den Spalt 22G zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor 22 und dem Quarzglastiegel 1 so weit wie möglich zu eliminieren. Ferner kann, wenn der Quarzglastiegel 1 die vorstehend genannte nach außen öffnende Form aufweist und eine Außenflächentoleranz von -2 mm bis -10 mm aufweist, die Haftung in Bezug auf den Kohlenstoff-Suszeptor 22 weiter erhöht werden, was es ermöglicht, die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil zu steuern.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst der Quarzglastiegel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den aus Siliciumdioxidglas hergestellten Tiegelkörper 10 und die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht, die auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgebildet ist, wobei die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht enthalten ist, 1,0 × 10¹³ Atome/cm² oder mehr und 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger beträgt, sodass die Tiegelaußenfläche durch die Wirkung des Kristallisationsbeschleunigers zu einem geeigneten Zeitpunkt, weder zu früh noch zu spät, nach dem Ablauf eines bestimmten Zeitraums ab dem Beginn des Einkristall-Hochziehprozesses kristallisiert werden kann. Dementsprechend ist es möglich, die Festigkeit beizubehalten, die einen sehr lange dauernden Einkristall-Hochziehprozess überstehen kann, wie Mehrfachziehen, indem der Spalt zwischen dem Kohlenstoff-Suszeptor und dem Tiegel so weit wie möglich eliminiert wird, wodurch die Sauerstoffkonzentration und der Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristalls stabil gesteuert werden.
Wenngleich vorstehend die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, und sämtliche derartigen Modifikationen sind in die vorliegende Erfindung aufgenommen.
In der vorstehenden Ausführungsform ist die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 beispielsweise durch Ausbilden eines Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Beschichtungsfilms auf der Außenfläche des Tiegelkörpers 10 ausgestaltet. Die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht 13 kann jedoch eine beliebige Form ohne bestimmte Einschränkung aufweisen; beispielsweise kann sie durch Ausbilden einer Mischkristallschicht aus einem Kristallisationsbeschleuniger in einer Siliciumdioxidglasmatrix ausgestaltet sein.
BEISPIELE
Die Beispiele A1 bis A8 (Vergleichsbeispiels A1, A2, A8 und Beispiele A3 bis A6) der Tiegelkörper unbenutzter Quarzglastiegel des gleichen Typs wurden hergestellt, und Beschichtungsflüssigkeit, die eine Bariumverbindung enthielt, wurde auf die Außenfläche jedes Tiegelkörpers aufgebracht, um eine Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht auszubilden. Danach wurde ein Teil der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht auf der Außenfläche jedes Tiegels entfernt, und die Ba-Konzentration wurde mittels ICP-MS (Massenspektrometrie mittels induktiv gekoppelten Plasmas) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Ferner wurde jede Tiegelprobe bei 1580 °C in einer Argongasatmosphäre von 20 Torr 25 Stunden lang erhitzt, und die Dicke einer auf der Tiegelaußenfläche ausgebildeten Kristallschicht wurde gemessen. Es ist zu beachten, dass die Temperaturanstiegsrate während des Heizprozesses 300 °C/h betrug. Außerdem wurde ein Mikroskop zur Messung der Kristallschichtdicke verwendet. Im Ergebnis betrug, wie in Tabelle 1 dargestellt, die Ba-Konzentration von Vergleichsbeispiel Al 1,3 × 10¹⁷ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Vergleichsbeispiel A2 5,0 × 10¹⁵ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Beispiel A3 4,8 × 10¹⁵ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Beispiel A4 2,0 × 10¹⁵ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Beispiel A5 1,3 × 10¹⁵ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Beispiel A6 0,6 × 10¹⁵ (Atome/cm²), die Ba-Konzentration von Beispiel A7 1,0 × 10¹³ (Atome/cm²) und die Ba-Konzentration von Vergleichsbeispiel A8 9,0 × 10¹² (Atome/cm²).
Außerdem betrug die Dicke der Kristallschicht von Vergleichsbeispiel A1 800 µm, die Dicke der Kristallschicht von Vergleichsbeispiel A2 550 µm, die Dicke der Kristallschicht von Beispiel A3 500 µm, die Dicke der Kristallschicht von Beispiel A4 350 µm, die Dicke der Kristallschicht von Beispiel A5 300 µm, die Dicke der Kristallschicht von Beispiel A6 300 µm, die Dicke der Kristallschicht von Beispiel A7 200 µm und die Dicke der Kristallschicht von Vergleichsbeispiel A8 180 µm.

[Tabelle 1]

Tiegelprobe	Ba-Konzentration (Atome/cm²)	Kristallschichtdicke (µm) nach Ablauf von 25 Stunden
A1 (Vgl.- Bsp.)	1,3 × 10¹⁷	800
A2 (Vgl.- Bsp.)	5,0 × 10¹⁵	550
A3 (Bsp.)	4,8 × 10¹⁵	500
A4 (Bsp.)	2,0 × 10¹⁵	350
A5 (Bsp.)	1,3 × 10¹⁵	300
A6 (Bsp.)	0,6 × 10¹⁵	300
A7 (Bsp.)	1,0 × 10¹³	200
A8 (Vgl.- Bsp.)	9,0 × 10¹²	180

Dementsprechend wurde festgestellt, dass je höher die Ba-Konzentration war, desto höher die Kristallisationsrate der Außenfläche des Quarzglastiegels war, und dass, wenn die Ba-Konzentration gleich oder kleiner 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² war, die Dicke der Kristallschicht nach Ablauf von 25 Stunden ab Beginn des Erhitzens 500 µm oder weniger betrug (Kristallisationsrate: 20 µm/h).
Anschließend wurden die Proben B1 bis B8 (Vergleichsbeispiele B1, B2, B8 und Beispiele B3 bis B7) unbenutzter Quarzglastiegel des gleichen Typs wie die Proben A1 bis A8 mit Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schichten mit den gleichen Ba-Konzentrationen wie die der jeweiligen Proben A1 bis A8 verwendet, um einen Silicium-Einkristall gemäß dem CZ-Verfahren hochzuziehen. Nach Abschluss des Einkristall-Hochziehprozesses wurde die Verformung des Quarzglastiegels in Augenschein genommen, und der Maximalwert eines Spalts zwischen dem Quarzglastiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor wurde gemessen. Ferner wurden die Sauerstoffkonzentration und der Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristall-Blocks beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

[Tabelle 2]

Tiegelprobe	Ba-Konzentration (Atome/cm²)	Spalt zwischen Tiegel und Kohlenstoff-Suszeptor (mm)	Hochziehergebnis (Soll-Kristallposition: mittlerer Teil)
Tiegelprobe	Ba-Konzentration (Atome/cm²)	Spalt zwischen Tiegel und Kohlenstoff-Suszeptor (mm)	Ausmaß der Abweichung von der Soll-Sauerstoffkonzentration	Ausmaß der Abweichung vom SollDurchmesser	Tiegelverformung
B1 (Vgl.-Bsp.)	1,3 × 10¹⁷	6	Groß	Groß	Keine
B2 (Vgl.-Bsp.)	5,0 × 10¹⁵	6	Groß	Groß	Keine
B3 (Bsp.)	4,8 × 10¹⁵	4	Mittel	Mittel	Keine
B4 (Bsp.)	2,0 × 10¹⁵	0	Klein	Klein	Keine
B5 (Bsp.)	1,3 × 10¹⁵	0	Klein	Klein	Keine
B6 (Bsp.)	0,6 × 10¹⁵	0	Klein	Klein	Keine
B7 (Bsp.)	1,0 × 10¹³	0	Mittel	Mittel	Klein
B8 (Vgl.-Bsp.)	9,0 × 10¹²	0	Hochziehen unmöglich	Hochziehen unmöglich	Groß (Hochziehen unmöglich)

In den Vergleichsbeispielen B1 und B2 war der Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor 6 mm groß und die Abweichungen von den Sollwerten für die Sauerstoffkonzentration und den Kristalldurchmesser waren groß; es wurde jedoch keine Verformung des Tiegels beobachtet.
In Beispiel B3 war der Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor mit 4 mm etwas groß, und die Abweichungen der Sauerstoffkonzentration und des Kristalldurchmessers waren ebenfalls etwas groß; es wurde jedoch keine Verformung des Tiegels beobachtet, und es wurden insgesamt zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. In den Beispielen B4, B5 und B6 war kein Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor vorhanden, die Abweichungen der Sauerstoffkonzentration und des Kristalldurchmessers waren klein und es wurde keine Verformung des Tiegels beobachtet und es wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.
In Beispiel B5 waren, obwohl kein Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor vorhanden war, die Abweichungen der Sauerstoffkonzentration und des Kristalldurchmessers etwas groß und es wurde eine leichte Verformung des Tiegels beobachtet; es wurden insgesamt jedoch zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Andererseits wurde in Vergleichsbeispiel B8, obwohl kein Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor vorhanden war, eine große Verformung des Tiegels beobachtet, wodurch es schwierig war, das Kristallhochziehen zu steuern, was eine Aussetzung des Einkristall-Hochziehprozesses zur Folge hatte.
Anschließend wurde Probe B9 (Beispiel B9) eines Quarzglastiegels mit einer Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht, in der die Ba-Konzentration davon in Höhenrichtung variiert wurde, hergestellt und die Ba-Konzentration wurde gemessen. Die Ba-Konzentration am unteren Ende des Seitenwandabschnitts betrug 4,0 × 10¹⁵ (Atome/cm²) und die Ba-Konzentration an einer Position (Position in der Nähe des oberen Endes des Seitenwandabschnitts) 1 cm unter dem oberen Randende des Seitenwandabschnitts betrug 2,0 × 10¹³ (Atome/cm²). Die Fläche von dem unteren Randende des Seitenwandabschnitts zu einer Position 1 cm unter dem oberen Randende wurde als Bereich der Nichtausbildung einer Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht festgelegt. Probe B9 war ein Quarzglastiegel des gleichen Typs wie jener der Proben B 1 bis B8, mit Ausnahme der Ba-Konzentration.
Danach wurde Tiegelprobe B9 verwendet, um einen Silicium-Einkristall gemäß dem CZ-Verfahren hochzuziehen. Nach Abschluss des Einkristall-Hochziehprozesses wurde die Verformung der Tiegelprobe B9 in Augenschein genommen und der Maximalwert eines Spalts zwischen dem Quarzglastiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor wurde gemessen. Ferner wurden die Sauerstoffkonzentration und der Kristalldurchmesser eines Silicium-Einkristall-Blocks beurteilt. Die Beurteilungsergebnisse für die Tiegelprobe B9 sind in Tabelle 3 dargestellt.

[Tabelle 3]

Tiegelprobe	Ba-Konzentration (Atome/cm²)	Ausmaß der Abweichung von der Soll-Sauerstoffkonzen tration	Ausmaß der Abweichung vom SollDurchmesser	Haftung zwischen Tiegel und Kohlenstoff-Suszeptor
B4 (Bsp.)	1,30 × 10¹⁵ einheitlich	Klein	Klein	Hoch
B9 (Bsp.)	Unteres Ende des Seitenwandabschnitts: 4,0 × 10¹⁵ Nähe des oberen Endes des Seitenwandabschnitts: 2,0 × 10¹³	Extrem klein	Extrem klein	Sehr hoch

In Probe B9 waren die Abweichungen von den Sollwerten der Sauerstoffkonzentration und des Kristalldurchmessers kleiner als jene in Tiegelprobe B5 mit zufriedenstellenden Ergebnissen. Ferner wurde keine Verformung des Tiegels wie ein Durchhängen nach innen beobachtet. Darüber hinaus war kein Spalt zwischen dem Tiegel und dem Kohlenstoff-Suszeptor vorhanden und die Haftung dazwischen war sehr hoch.
Bezugszeichenliste

1: Quarztiegel
3: Silicium-Einkristall
4: Siliciumschmelze
10: Tiegelkörper
10a: Seitenwandabschnitt
10b: Bodenabschnitt
10c: Eckabschnitt
10i: Innenfläche des Tiegelkörpers
10o: Außenfläche des Tiegelkörpers
11: Transparente Schicht
12: Blasenschicht
13: Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht
13a: Natürliches Siliciumdioxidpulver
13b: Synthetisches Siliciumdioxidpulver
14: Form
14a: Formentlüftungsloch
14i: Forminnenfläche
15: Lichtbogenelektrode
16: Abgeschiedene Schicht aus Rohmaterial-Siliciumdioxidpulver
17: Rotationsplattform
18: Sprühvorrichtung
19: Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Beschichtungsflüssigkeit
20: Einkristall-Hochzieheinheit
21: Kammer
21a: Hauptkammer
21b: Ziehkammer
21c: Gaseinlasskanal
21d: Gasauslasskanal
22: Kohlenstoff-Suszeptor
23: Rotationswelle
24: Wellenantriebsmechanismus
25: Heizelement
28: Einkristallhochziehdraht
29: Drahtaufwickelmechanismus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005255488 [0008]
WO 2018/055974 [0008]
JP 2011088776 [0008]
JP 2003160393 [0008]
JP H08002932 [0008]

Claims

Quarzglastiegel, umfassend: einen aus Siliciumdioxidglas hergestellten Tiegelkörper; und eine Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht, die auf einer Außenfläche des Tiegelkörpers ausgebildet ist, wobei eine Konzentration eines Kristallisationsbeschleunigers, der in der Kristallisationsbeschleuniger enthaltenden Schicht enthalten ist, 1,0 × 10¹³ Atome/cm² oder mehr und 4,8 × 10¹⁵ Atome/cm² oder weniger beträgt.
Quarzglastiegel nach Anspruch 1, wobei eine Dicke einer Kristallschicht, die auf der Außenfläche ausgebildet wird, wenn der Tiegel 25 Stunden lang bei einer Temperatur von 1550 °C oder höher und 1600 °C oder niedriger erhitzt wird, 200 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt.
Quarzglastiegel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Tiegelkörper einen zylindrischen Seitenwandabschnitt, einen Bodenabschnitt und einen Eckabschnitt zwischen dem Seitenwandabschnitt und dem Bodenabschnitt aufweist und die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht zumindest auf dem Seitenwandabschnitt ausgebildet ist.
Quarzglastiegel nach Anspruch 3, wobei die Kristallisationsbeschleuniger enthaltende Schicht sowohl auf dem Seitenwandabschnitt als auch auf dem Eckabschnitt ausgebildet ist.
Quarzglastiegel nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich die Konzentration des Kristallisationsbeschleunigers auf dem Seitenwandabschnitt von einem unteren Ende des Seitenwandabschnitts zu einem oberen Ende davon allmählich verringert.